CN114330037A - 一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法，包括以下步骤：获取仿真计算所需的参数和函数；建立列车等效电路模型；初始化列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；在本次仿真步长下，获取当前列车接触网电压、当前列车直流母线电压、当前应急电源储能量、列车运行需要的电机功率、辅助设备运行需要的辅助功率，结合参数和函数计算本次仿真步长的列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；进行下一个仿真步长直至仿真结束。本发明采用广义的列车等效电路模型，无需搭建变流器、斩波器等复杂设备的主电路和控制电路，可以准确模拟列车在接触网供电、应急电源供电、停止供电等不同工况下的复杂动态特性和状态切换。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通仿真技术领域，特别涉及一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法。
背景技术
列车是电气化轨道交通供电系统的重要负荷。多辆列车可能同时运行于同一条电气化轨道交通，并且具有不同的驾驶模式和参数。所有列车的动态特性都影响整个供电系统的动态特性。在对于电气化轨道交通供电系统的潮流仿真计算中，列车的模拟方法将影响整个供电系统仿真计算的速度和精确度。
列车连接于接触网和钢轨之间，图1是电气化轨道交通列车的电气回路示意图。
列车高压断路器可以控制列车与接触网之间的电气连通与关断。当接触网电压低于列车低压保护启动阈值U min 或高于列车高压保护启动阈值U max 时，高压断路器断开列车与接触网之间的电气连通。
电机变流器可以控制能量在列车直流母线和电机之间的双向流动。当列车牵引运行时，电机变流器为电机提供牵引功率，能量从直流母线侧传输至电机侧；当列车制动运行时，电机变流器反馈电机产生的制动功率，能量从电机侧返送回直流母线侧。电机变流器在控制上会基于直流母线电压u dc 设置电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )和电机制动功率限制函数p r_max (u dc )，其作用是当直流母线电压较低或较高时，限制电机的最大牵引功率和最大制动功率。
辅助变流器主要给列车的辅助设备供电，包括空调、通风、照明、插座、车门控制、广播等。
电阻斩波器设置车载电阻功率调控函数p b (u dc )，基于直流母线电压u dc 实时调节车载电阻的投入功率。一般而言，当直流母线电压u dc 较低时，车载电阻投入功率为0；当直流母线电压u dc 因为电机反馈制动功率而抬升时，车载电阻投入功率开始逐渐增大，从而吸收电机制动功率，抑制直流母线电压上升。
应急电源开关用于控制应急电源是否投入使用。当接触网电压过高或过低时，高压断路器断开列车直流母线与接触网之间的电气连通。这时，应急电源投入使用，继续为列车电机和辅助设备供电，维持列车继续运行一段距离。
从上述分析可以看出，电气化轨道交通列车具备复杂的电路结构，电机变流器、辅助变流器、电阻斩波器、应急电源开关等设备均具备复杂的动态特性。电气化轨道交通供电系统具有大量列车、供电设备以及负荷。如果对于每个列车的建模太过详细，例如搭建含有大量电力电子器件的变流器、斩波器等复杂设备的主电路和控制电路，那么电气化轨道交通供电系统的潮流仿真计算将需要大量计算资源，并且将大幅降低计算速度。但如果对于每个列车的建模太过简单，又缺乏仿真精确度，无法反映列车内部电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路的动态特性和潮流分布计算结果。因此，有必要研究一种广义的电气化轨道交通列车仿真模拟方法，既满足仿真模拟精度需求，又避免占用大量计算资源。
目前传统的电气化轨道交通列车仿真模拟方法，基本是采用纯功率源、电压源或电阻等简单的模型来等效整个列车，无法精确模拟列车内部电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路的动态特性和潮流分布计算结果。当列车断开与接触网的电气连通时，传统的电气化轨道交通列车仿真模拟方法基本是采用无穷大电阻或者直接移除列车的等效模拟方法。这种模拟方法虽然可以等效列车无法继续从接触网取流的特征，但无法正确模拟出列车继续采用应急电源供电和移动的行为，也无法正确模拟出列车内部各支路持续的潮流分布计算结果。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法，采用广义的列车等效电路模型，无需搭建变流器、斩波器等复杂设备的主电路和控制电路，可以准确模拟列车在接触网供电、应急电源供电、停止供电等不同工况下的复杂动态特性和状态切换。
本发明采用的技术方案是：一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法，包括以下步骤：
S1：获取仿真计算所需的参数和函数，
所述参数包括列车低压保护启动阈值U min 、列车高压保护启动阈值U max 、应急电源输出电压u s 、应急电源等效内阻r s 、应急电源储能量下限E s_min ，
所述函数包括列车电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )、列车电机制动功率限制函数p r_max (u dc )、车载电阻功率调控函数p b (u dc )；
S2：建立列车等效电路模型，
所述列车等效电路模型包括电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路和开关K hv ，所述电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路并联后与开关K hv 串联，所述电机支路采用电流源I m 模拟，辅助设备支路采用电流源I a 模拟，车载电阻支路采用电流源I r 模拟，应急电源支路采用串联的开关K s 、电阻R s 和电压源U s 模拟；
S3：初始化列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；
S4：在本次仿真步长下，获取当前列车接触网电压u pan 、当前列车直流母线电压u dc 、当前应急电源储能量E s 、列车运行需要的电机功率p m 、辅助设备运行需要的辅助功率p a ，结合步骤S1中的参数和函数计算本次仿真步长的列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；
具体计算过程为：
S4.1：判断
是否成立：
若成立，则列车为接触网供电状态，开关K hv 为闭合状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为
，电流源I a 的电流值为
，电流源I r 的电流值为
，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
若不成立，则进入S4.2；
S4.2：判断
是否成立，
若成立，则列车为应急电源供电状态，开关K hv 为断开状态，开关K s 为闭合状态，电流源I m 的电流值为
，电流源I a 的电流值为
，电流源I r 的电流值为
，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
若不成立，则列车为停止供电状态，开关K hv 为断开状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为0，电流源I a 的电流值为0，电流源I r 的电流值为0，电压源U s 的电压值为0、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
S5：判断本次仿真步长是否为设定的最后一个仿真步长，若是，则仿真结束；若不是，则开始下一个仿真步长，进入步骤S4。
具体的，步骤S3中，列车等效电路模型各元件的初始化设置状态或参数为：开关K hv 为断开状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为0，电流源I a 的电流值为0，电流源I r 的电流值为0，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s 。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1.本发明采用广义的列车等效电路模型，可以准确模拟列车内部电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路的动态特性和潮流分布计算结果，并实时考虑列车电机牵引功率限制函数、列车电机制动功率限制函数、车载电阻功率调控函数对于电机变流器和车载电阻斩波器的影响，无需搭建变流器、斩波器等设备复杂的主电路（含有大量电力电子器件）和控制电路，避免占用大量计算资源。
2.本发明可以准确模拟列车在接触网供电、应急电源供电、停止供电的不同工况下的复杂动态特性和状态切换。在应急电源供电情况下，本发明可以等效列车无法继续从接触网取流的特征，同时也能准确模拟出列车内部各支路持续的潮流分布计算结果。
3.本发明通用性强、实现简单、计算精度高，可以等效模拟各种类型的列车，并且该建模方法也适合在各类仿真软件（如Visual Studio C#、Matlab、Pscad等）上实现。本发明可以根据需要进一步拓展，例如列车等效电路模型可以补充滤波电感和电容元件。
附图说明
图1为电气化轨道交通列车的电气回路示意图；
图2为本发明实施例的流程图；
图3为本发明实施例的列车等效电路模型；
图4为本发明实施例二的列车电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )；
图5为本发明实施例二的列车电机制动功率限制函数p r_max (u dc )；
图6为本发明实施例二的车载电阻功率调控函数p b (u dc )；
图7为本发明实施例二的列车接触网电压u pan ；
图8为本发明实施例二的列车直流母线电压u dc ；
图9为本发明实施例二的应急电源储能量E s ；
图10为本发明实施例二的列车运行需要的电机功率p m ；
图11为本发明实施例二的辅助设备运行需要的辅助功率p a ；
图12为本发明实施例二的电机支路、辅助设备支路、车载电路支路电流仿真结果；
图13为本发明实施例二的电机支路、辅助设备支路、车载电路支路消耗功率仿真结果；
图14为本发明实施例二的接触网、应急电源向列车提供功率仿真结果。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
实施例一
本发明的实施例提供了一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法，如图2所示，其包括包括以下步骤：
S1：获取仿真计算所需的参数和函数，
所述参数包括列车低压保护启动阈值U min 、列车高压保护启动阈值U max 、应急电源输出电压u s 、应急电源等效内阻r s 、应急电源储能量下限E s_min ，
所述函数包括列车电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )、列车电机制动功率限制函数p r_max (u dc )、车载电阻功率调控函数p b (u dc )；
S2：建立列车等效电路模型，如图3所示，
所述列车等效电路模型包括电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路和开关K hv ，所述电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路并联后与开关K hv 串联，所述电机支路采用电流源I m 模拟，辅助设备支路采用电流源I a 模拟，车载电阻支路采用电流源I r 模拟，应急电源支路采用串联的开关K s 、电阻R s 和电压源U s 模拟；列车等效电路模型的两个端口分别连接至电气化轨道交通供电系统的接触网和钢轨。
S3：仿真开始后，初始化列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；开关K hv 为断开状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为0，电流源I a 的电流值为0，电流源I r 的电流值为0，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s 。
S4：在本次仿真步长下，获取当前列车接触网电压u pan 、当前列车直流母线电压u dc 、当前应急电源储能量E s 、列车运行需要的电机功率p m 、辅助设备运行需要的辅助功率p a ，结合步骤S1中的参数和函数计算本次仿真步长的列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；
具体计算过程为：
S4.1：判断
是否成立：
若成立，则列车为接触网供电状态，开关K hv 为闭合状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为
，电流源I a 的电流值为
，电流源I r 的电流值为
，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
若不成立，则进入S4.2；
S4.2：判断
是否成立，
若成立，则列车为应急电源供电状态，开关K hv 为断开状态，开关K s 为闭合状态，电流源I m 的电流值为
，电流源I a 的电流值为
，电流源I r 的电流值为
，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
若不成立，则列车为停止供电状态，开关K hv 为断开状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为0，电流源I a 的电流值为0，电流源I r 的电流值为0，电压源U s 的电压值为0、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
S5：判断本次仿真步长是否为设定的最后一个仿真步长，若是，则仿真结束；若不是，则开始下一个仿真步长，进入步骤S4。
实施例二
本实施例基于仿真软件Matlab，完成仿真验证。本发明的实施例提供了一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法，包括以下步骤：
S1：获取仿真计算所需的参数：列车低压保护启动阈值U min 为1000V，列车高压保护启动阈值U max 为2000V，应急电源输出电压u s 为1500V，应急电源等效内阻r s 为10mΩ，应急电源储能量下限E s_min 为5kWh。
获取仿真计算所需的函数为：列车电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )如图4所示，列车电机制动功率限制函数p r_max (u dc )如图5所示，车载电阻功率调控函数p b (u dc )如图6所示。
S2：利用Matlab自带模块库里的开关、直流电流源、直流电压源、电阻等元件，按照图3所示的模型结构搭建列车等效电路模型。
S3：仿真开始，初始化列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；开关K hv 为断开状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为0，电流源I a 的电流值为0，电流源I r 的电流值为0，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s 。
S4-S5：获取的列车接触网电压u pan 如图7所示，列车直流母线电压u dc 如图8所示，应急电源储能量E s 如图9所示，列车运行需要的电机功率p m 如图10所示，辅助设备运行需要的辅助功率p a 如图11所示。结合步骤S1中的参数和函数计算多个仿真步长的列车等效电路模型各元件的设置状态或参数。
仿真结果如图12至图14所示。图12为电机支路、辅助设备支路、车载电路支路电流仿真结果。图13为电机支路、辅助设备支路、车载电路支路消耗功率仿真结果。图14为接触网、应急电源向列车提供功率仿真结果。
下面对仿真结果中的部分时刻进行分析。
当仿真时间为5s时，列车接触网电压为1500V，列车直流母线电压为1500V，
成立，列车为接触网供电状态。在该时刻，列车运行需要的电机功率p m 为3MW，辅助设备运行需要的辅助功率p a 为0.2MW，列车电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )为3MW，列车电机制动功率限制函数p r_max (u dc )为-3MW，车载电阻功率调控函数p b (u dc )为0MW。因此电机支路的电流值根据公式
，等于2000A，与图12的仿真结果相符。辅助设备支路的电流值根据公式
，等于133.3A，与图12的仿真结果相符。车载电阻支路的电流值根据公式
，等于0A，与图12的仿真结果相符。
当仿真时间为25s时，列车接触网电压为900V，当前应急电源储能量E s 为15kWh，
不成立，
成立，列车为应急电源供电状态。在该时刻，列车直流母线电压为1478.4V，列车运行需要的电机功率p m 为3MW，辅助设备运行需要的辅助功率p a 为0.2MW，列车电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )为3MW，列车电机制动功率限制函数p r_max (u dc )为-3MW，车载电阻功率调控函数p b (u dc )为0MW。因此电机支路的电流值根据公式
，等于2029A，与图12的仿真结果相符。辅助设备支路的电流值根据公式
，等于135.3A，与图12的仿真结果相符。车载电阻支路的电流值根据公式
，等于0A，与图12的仿真结果相符。在该时刻，列车为应急电源供电状态，因此列车断开直流母线与接触网的电气连通，通过应急电源给列车供电，与图14的仿真结果相符。从图14可以看出，在该时刻，接触网向列车提供功率为0 MW，应急电源向列车提供功率为3.2MW。
从上述实施例可以看出，本发明提出的电气化轨道交通列车仿真模拟方法，采用广义的列车等效电路模型，可以准确模拟列车内部电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路的动态特性和潮流分布计算结果，并可以实时考虑列车电机牵引功率限制函数、列车电机制动功率限制函数、车载电阻功率调控函数对于电机变流器和车载电阻斩波器的影响。本发明可以准确模拟列车在接触网供电、应急电源供电、停止供电的不同工况下的复杂动态特性和状态切换。在应急电源供电情况下，本发明可以等效列车无法继续从接触网取流的特征，同时也能准确模拟出列车内部各支路持续的潮流分布计算结果。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。
Claims (2)
1.一种电气化轨道交通列车仿真模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：获取仿真计算所需的参数和函数，
所述参数包括列车低压保护启动阈值U min 、列车高压保护启动阈值U max 、应急电源输出电压u s 、应急电源等效内阻r s 、应急电源储能量下限E s_min ，
所述函数包括列车电机牵引功率限制函数p t_max (u dc )、列车电机制动功率限制函数p r_max (u dc )、车载电阻功率调控函数p b (u dc )；
S2：建立列车等效电路模型，
所述列车等效电路模型包括电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路和开关K hv ，所述电机支路、辅助设备支路、车载电阻支路、应急电源支路并联后与开关K hv 串联，所述电机支路采用电流源I m 模拟，辅助设备支路采用电流源I a 模拟，车载电阻支路采用电流源I r 模拟，应急电源支路采用串联的开关K s 、电阻R s 和电压源U s 模拟；
S3：初始化列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；
S4：在本次仿真步长下，获取当前列车接触网电压u pan 、当前列车直流母线电压u dc 、当前应急电源储能量E s 、列车运行需要的电机功率p m 、辅助设备运行需要的辅助功率p a ，结合步骤S1中的参数和函数计算本次仿真步长的列车等效电路模型各元件的设置状态或参数；
计算过程为：
S4.1：判断
是否成立：
若成立，则列车为接触网供电状态，开关K hv 为闭合状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为
，电流源I a 的电流值为
，电流源I r 的电流值为
，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
若不成立，则进入S4.2；
S4.2：判断
是否成立，
若成立，则列车为应急电源供电状态，开关K hv 为断开状态，开关K s 为闭合状态，电流源I m 的电流值为
，电流源I a 的电流值为
，电流源I r 的电流值为
，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
若不成立，则列车为停止供电状态，开关K hv 为断开状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为0，电流源I a 的电流值为0，电流源I r 的电流值为0，电压源U s 的电压值为0、电阻R s 的电阻值为r s ，本次仿真步长计算结束，进入S5；
S5：判断本次仿真步长是否为设定的最后一个仿真步长，若是，则仿真结束；若不是，则开始下一个仿真步长，进入步骤S4。
2.如权利要求1所述的电气化轨道交通列车仿真模拟方法，其特征在于：步骤S3中，列车等效电路模型各元件的初始化设置状态或参数为：开关K hv 为断开状态，开关K s 为断开状态，电流源I m 的电流值为0，电流源I a 的电流值为0，电流源I r 的电流值为0，电压源U s 的电压值为u s 、电阻R s 的电阻值为r s 。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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